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Optische Modellbaukästen

Die „Arbeitstiere“ von Dr. Robert Keil sind optische Lichtwellenleiter. Mit ihnen untersucht der Experimentalphysiker im Labor grundlegende Annahmen der Quantenmechanik und erforscht die Eigenschaften komplexer Interferenzmuster, die langfristig in speziellen Quantencomputern zum Einsatz kommen könnten.

Die optischen Lichtwellenleiter, mit denen Robert Keil am Arbeitsbereich Photonik des Instituts für Experimentalphysik forscht, funktionieren ähnlich wie Glasfaserkabel, nur dass sie hier in einem Glasplättchen untergebracht sind. Während die in der Telekommunikation eingesetzten Glasfaserkabel das Licht möglichst verlustfrei transportieren sollen, nutzen Keil und sein Team den optischen Tunneleffekt. Dieser führt dazu, dass unter bestimmten Bedingungen ein Teil des Lichts aus einem Lichtwellenleiter in einen benachbarten wechseln kann. Diesen Effekt hat sich Robert Keil schon als Doktorand an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena zunutze gemacht, um Phänomene aus verschiedenen Bereichen der Physik mit Hilfe von optischen Lichtwellenleitern zu simulieren. So konnte er damit zum Beispiel theoretische Modelle über die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften spezieller Festkörper experimentell bestätigen. Eine Leistung, für die er erst kürzlich mit dem Carl Zeiss Award for Young Researchers ausgezeichnet wurde und die konkrete Anwendung in der Telekommunikation und Datenverarbeitung über lange Strecken finden könnte.

Den Grundlagen auf der Spur

Auch an der Universität Innsbruck arbeitet Robert Keil mit optischen Lichtwellenleitern und führt hier auch Forschungen fort, die bisher mit freien Laserstrahlen auf optischen Tischen durchgeführt wurden. „Die optischen Lichtwellenleiter haben auf kleinen Glaschips Platz und sind deshalb wesentlich stabiler als klassische optische Aufbauten“, sagt Physiker Keil. „Das ist vor allem dann wichtig, wenn wir sehr hohe Präzision erreichen müssen. Außerdem lassen sich Interferenzmuster mit viel höherem Kontrast erzielen.“ Gefordert ist dies zum Beispiel, wenn die Fundamente der Quantenmechanik überprüft werden sollen.

Die Lichtwellenleiter sind auf dünnen Glasplättchen untergebracht. (Foto: Uni Innsbruck)

Keil und sein Team testen aktuell ein Axiom der Quantenphysik, das in Experimenten bisher zwar immer bestätigt wurde. „Es handelt sich dabei aber um eine Annahme, die man experimentell noch genauer testen kann“, erklärt Robert Keil. „Quantenmechanik und Relativitätstheorie haben sich als Beschreibung der Natur sehr bewährt, dennoch fehlt uns bis heute eine Verbindung dieser beiden Konzepte.“ Deshalb macht es für Keil durchaus Sinn weiter an den Grundpfeilern dieser Theorien zu rütteln, um ihre Standfestigkeit zu überprüfen und so möglicherweise einmal einen Punkt zu identifizieren, von dem aus sich eine sogenannte große vereinheitlichte Theorie ableiten ließe.
In einem weiteren Experiment beobachtet der 32-jährige Physiker mit seinen Kollegen das Verhalten identischer Lichtteilchen, sogenannter Photonen, in gekoppelten Lichtwellenleitern und untersucht anhand der Mehrteilcheninterferenz ihre komplexen Eigenschaften. Dies könnte langfristig für die Entwicklung spezieller Quantencomputer von Interesse sein, die sich solche Photonen für die Quanteninformationsverarbeitung zu Nutze machen.

Zur Person

Robert Keil hat an der Friedrich-Schiller-Universität Jena Physik studiert, wo er am Institut für Angewandte Physik geforscht und 2013 promoviert hat. Im Anschluss wechselte er in die Arbeitsgruppe von Prof. Gregor Weihs am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Derzeit werden seine Forschungen vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF über ein Lise-Meitner-Stipendium unterstützt.


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